JP5067181B2 - 摺動部材及び流体機械 - Google Patents

Description

本発明は、相対的に摺動する部位に用いられる摺動部材と、流体を搬送する流体機械に関するものである。特に、冷凍機器及び空調機器等に用いられ、高圧の冷媒ガスであるＨＦＣ系代替冷媒ガスや自然冷媒である炭酸ガス等を、圧縮または膨張させるスクロール型の流体機械及びその製造方法に係るものである。

従来より、例えば冷凍空調用の圧縮機としては、圧縮機構の方式がレシプロ式、ローリングピストン式およびスクロール式のものが製造され、広く知られている。いずれの方式も家庭用、業務用の冷凍空調分野で使用されおり、その代表的な構造は、密閉容器内に、圧縮機構部と、その駆動用のシャフト、及び電動機等を収容した構造が用いられている。

ここでは、自然冷媒である炭酸ガス（二酸化炭素）冷媒ガスに使用したヒートポンプ給湯用、あるいは空調機用のスクロール圧縮機を例にとり、従来の技術を説明する。

まず、図４に示す従来のスクロール型圧縮機の縦断面図を用いてその構造を説明する。

密閉容器１は、円筒状の胴シェル２１ａと、その両端を上シェル２１ｂと底シェル２１ｃが冷媒ガスが漏れないよう円周を溶接されて構成され、さらに冷媒ガスの吸入管１１と吐出管１６、電動機７の通電用の端子２５が各々溶接やロー付け等で冷媒ガスが漏れないよう固定設置されている。

密閉容器１の内部には、固定スクロール２ａと可動スクロール３とから構成された圧縮機構部２、オルダム継手４を介して可動スクロール３を固定スクロール２ａに対して旋回運動させるシャフト５と、固定スクロール２ａを固定されシャフト５を回転自在に支持する軸受部材６が設置されている。軸受部材６は密閉容器１に溶接などで固定されている。

軸受部材６の下方には、シャフト５に固定された回転子７ａと胴シェル２１ａに焼き嵌め等で固定された固定子７ｂが設置されている。

さらに密閉容器１の内部の底部には潤滑油９を貯溜する油溜め１０が設けられており、シャフト５の貫通穴１３の下端より油溜め１０の潤滑油９が、シャフト５の回転に伴いオイルポンプ１７で吸い上げられ、ジャーナル軸受６ａ、偏芯軸受３ａ、および固定スクロール２ａと可動スクロール３ｆなどの各摺動面へ供給される構造となっている。

また、ジャーナル軸受６ａ及び偏芯軸受３ａは、軸受部材６と旋回スクロール３に圧入された軸受ブッシュ８ａ，８ｂ等で構成され耐久性、摺動特性を維持している。軸受ブッシュ８ａ，８ｂには、円筒状の裏金（ＳＰＣＣ等）の内週面に摺動皮膜層（例えば、テフロン（登録商標）、ポリイミド、ポリアミド等の樹脂に、グラファイト、グラスファイバー、硬質カーボン等が添加されている）が形成されたいわゆる裏金付樹脂含浸軸受ブッシュを用いている。

次に、冷媒ガスの圧縮サイクルを説明する。空調機の熱交換器（図示せず）などを循環してきた低圧の冷媒ガスは吸入管１１より圧縮機構部２に吸入される。吸入された冷媒ガスは、固定スクロール２ａと可動スクロール３との間に形成された三日月状の圧縮空間（図示せず）に入り、可動スクロール３の旋回運動により三日月状の圧縮空間が外側から中央に向かって次第に縮小することで、冷媒ガスは圧縮され高圧ガスとなり固定スクロール２ａの中央部に設けた吐出孔１２より吐出される。

吐出孔１２より吐出された高圧ガスは、一旦密閉容器１内の固定スクロール２ａの上方の吐出空間１ａへ吐出され、ガス通路１４を通じ、可動子７ａ上部の空間１ｂに流れ、ついで回転子７ａ内部に設けられたガス通路１８ａから密閉容器１の底部空間１ｃへ、さらに固定子７ｂの外周に設けられた通路１８ｂを通じ上方に流れ固定子上部空間１ｄに出て、通路１４とは別に設けられたガス通路１５を通じ固定スクロール２ａの上方空間１ｅに流れ出てた後、吐出管１６より外部の熱交換器（図示せず）などのヒートポンプシステムへ吐出搬送される。熱交換器等を循環し高圧ガスは低圧ガスとなり、再び吸入管１１より圧縮機に戻り、周知のヒートポンプサイクルを循環する。

その次に、圧縮機内部での潤滑油９の循環サイクルを説明する。潤滑油９は油溜め１０からオイルポンプ１７で吸い上げられ、シャフト５の貫通穴１３を上昇し、偏心軸受３ａ、の隙間から可動スクロール３のボス部が収納されるボス部空間１９に出て、ジャーナル軸受６ａの隙間を経て、ジャーナル軸受６ａの下部の油排出口から可動子７ａ上部の空間１ｂへ排出される。その後、可動子７ａ内の通路１８ａを通って底部の油溜め１０に戻る。

また、偏心軸受３ａを通った潤滑油９の一部は、ボス部空間１９から、オルダム継手４が設置された背圧空間２２、そして背圧空間２２の圧力を調整する吸入背圧調整弁２３を通じて吸入側の圧縮室２４に導かれる。その後、可動スクロール３の旋回運動により冷媒ガスのともに圧縮され吐出孔１２より出て、先の冷媒ガスと同様の経路を経て、固定子上方空間１ｂで先のジャーナル軸受６ａの下部から出た潤滑油と合流し、底部の油溜め１０に戻る。

これらの潤滑油の循環サイクルにより、シャフト５と偏心軸受３ａ及びジャーナル軸受６ａ、またオルダム継手４、可動スクロール３、固定スクロール２ａ等の各摺動部を潤滑している。

近年、地球温暖化抑制のために、従来冷媒として用いられていたＲ１２等のＣＦＣ系やＲ２２などのＨＣＦＣ系冷媒に代わり、ＨＦＣ系冷媒（例えば、Ｒ４１０Ａ，またはＲ３２等を主成分としたＨＦＣ系冷媒等）、二酸化炭素（以後ＣＯ２と記す）等の自然冷媒を用いた機器の利用が進められるとともに、効率向上が求められている。

しかしながら、これらの冷媒は、冷媒の特性上、上記従来冷媒より作動圧力が高くなるため、その圧力に応じて摺動部は大きい力を受けながら摺動する。また、ＨＦＣ系冷媒はＨＣＦＣ系で潤滑作用を有していた塩素がなく、自然冷媒ＣＯ２は洗浄作用が強く、ともに従来のＨＣＦＣ系冷媒より潤滑面で不利となる側面をもっている。すなわち、温暖化抑制には効果的だが、信頼性及び効率向上には課題を有していた。

例えば、図５を用いて説明する。可動スクロール３はその下方よりボス部空間１９及び背圧空間２２の圧力により、固定スクロール２ａ側にスラスト方向荷重を受け押付けられながら旋回運動するが、そのスラスト荷重を、固定スクロール２ａの圧縮室スラスト面５２ｂと可動スクロール３のラップ端面５３ａ（図中では上面）、同様に固定スクロール２ａのラップ端面５２ａ（図中では下面）と可動スクロール３の圧縮室スラスト面５３ｂが受けながら、互いに摺動している。

また、回転方向の荷重を、オルダム継手４のキー部４ａと可動スクロール３のキー溝部３ｂと、図示しないがオルダム継手４のキー部と軸受部材６のキー溝部が、受けながら互いに摺動している。

上記構成の圧縮機をＣＯ２冷媒のヒートポンプサイクルに用いる際、従来冷媒より高差圧運転が行われるため、上記両スクロール、オルダム継手の摺動部が受ける過大な荷重により、摺動面同士が部分的に接触する（境界潤滑に近い）混合潤滑状態となりやすくなる。この（境界潤滑に近い）混合潤滑状態が続く場合には、摺動部には摩耗や、焼き付きが発生する事となる。

従来のスクロール圧縮機では、軽量化と高速回転に対応するため可動スクロール３をアルミ合金材で形成し、固定スクロール２に鋳鉄材、オルダムリングに鉄系焼結材を用いているが、可動スクロール３の表面に耐摩耗性を向上させる目的でその表面に陽極酸化層を形成している（例えば、特許文献１参照）。図６は、陽極酸化処理される可動スクロールの断面を示したもので、図中の点線に示す様にほぼ全表面（５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄ、５３ｅ等）に陽極酸化層を形成している。陽極酸化処理は、電解液中に可動スクロールを浸漬し、図のように、処理用電源３６から電極３７を介して通電されて皮膜形成が行われるが、処理中に、ボス部の鉄系の裏金を有するブッシュ３ａが電解液の浸入により腐食するのを防止するため、ボス部にはマスキング３５が被せられている。

また、特許文献２では、固定スクロール２ａと可動スクロール３をともにアルミ材で形成し、どちらかに陽極酸化層である硬質アルマイト処理した構成も考案されている。
特開２００６−１１２３７９号公報 特開昭５５−０８１２９５号公報

しかしながら陽極酸化層は多孔質層である事から、摩擦係数が大きく、また初期馴染み性の課題も有していた。その課題を解決するため、陽極酸化層の多孔質の孔にテフロン（登録商標）等の樹脂や二硫化モリブデン等の固体潤滑材を電解処理により含浸させる方法が考案されている。この方法によれば、樹脂や固体潤滑材により摩擦係数を低減し初期馴染み性が改善出来るが、電解液が特殊で高価であり、孔の含浸だけでは十分な効果が得にくかった。

また、陽極酸化層の上からテフロン（登録商標）等の樹脂を塗布し含浸する方法も考案されているが、塗布では陽極酸化層の上にまで樹脂層が形成され易く皮膜の厚み、表面粗さを精度よく形成する事ができなかった。

一方、スクロール圧縮機ではないが、アルミ合金のピストンにショットピーニング技術を用いてアルミ合金の表層に固体潤滑剤皮膜（二硫化モリブデン等）を形成する方法が考案されている。しかしながら、より耐久性の高い表面処理が求められていた。

本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、耐摩耗性能および潤滑性能の高い摺動部材と、それを用い信頼性と性能向上を実現する流体機械を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明は、アルミを主成分とする摺動部材の表面に固体潤滑剤の微細粉体を衝突させ前記表面の表層に固体潤滑剤含有皮膜を形成し、前期皮膜形成した後に陽極酸化処理することで、固体潤滑剤を含有した潤滑性酸化皮膜を形成したものである。これによって、従来より、陽極酸化皮膜に固体潤滑剤が強固に取り込まれた皮膜を形成できる。

本発明の流体機械によれば、耐摩耗性能および摺動特性に優れた摺動部材を実現できるとともに、また優れた耐久性及び高い効率有する流体機械を実現できる。

第１の発明は、アルミを主成分とする材料の表面に固体潤滑剤の微細粉体を衝突させ前記表面の表層に固体潤滑剤含有皮膜を形成し、前記皮膜形成後に陽極酸化処理することで、陽極酸化皮膜に固体潤滑剤が強固に取り込まれた皮膜を摺動部材表面に容易に形成できる。

第２の発明は、特に、第１の発明の摺動材を用いた流体機械であって、摺動部の摺動表面に潤滑剤が強固に取り込まれた皮膜が形成されたことで、摺動部での耐摩耗性および摺動損失が低減される。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら、二酸化炭素を冷媒（以後ＣＯ２と記載）に潤滑油にＰＡＧ油を用いたスクロール圧縮機の場合を例に説明するが、上記で説明した従来の技術の例と同一機能部品については同一番号を使用し、同一の構成および作用の説明は省く。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１について、アルミと５〜１５％Ｓｉ粒子を含有したアルミ合金を素材とした可動スクロールにアルマイト（陽極酸化皮膜）に二硫化モリブデンを含有した潤滑性酸化皮膜を形成する場合を例にして、図１から３を用いて説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態における、可動スクロール３の摺動部表面に形成された潤滑性酸化皮膜の断面図である。図２は、潤滑酸化性皮膜の製作工程を説明する図である。同様に図３は、陽極酸化皮膜を形成された可動スクロール３の摺動部表面の断面図である。

可動スクロール３は、図２に示す製作工程でその表面に所望の潤滑性酸化皮膜が形成されて完成する。まず、（１）前仕上加工工程で、素材を皮膜形成前に必要な形状、精度に仕上げる。次に、（２）陽極酸化処理工程は、前仕上げされた状態の表面にアルミの酸化層である陽極酸化皮膜３５ａ（アルマイト層）を形成する工程である。その後、（３）固体潤滑剤皮膜形成工程は、表面に固体潤滑剤（二硫化モリブデン）の含有した皮膜を形成するもので、その皮膜形成方法には、先の特許文献１にもあるショットピーニング技術を用いる。これは、固体潤滑剤の微粒子を高速度で衝突させることで、可動スクロール３の表層に潤滑剤を固着、熱拡散または打ち込むものである。この工程で先の潤滑剤を含有したアルマイト層が形成され、その結果、潤滑性酸化皮膜層３５が形成される。そして、（４）仕上加工工程で、必要な箇所の孔明けやバフ処理などを行い可動スクロール３が完成する。

図３では、（２）陽極酸化処理工程後の表層断面図で、３は可動スクロールで素材はアルミ合金であり、３１は素材に含有する平均径３〜５μｍ程度のＳｉ粒子、３２は摺動表面、３５ａは陽極酸化皮膜３５ａである。このＳｉ粒子はアルミ部より導電性が悪いため陽極酸化皮膜の成長過程でＳｉ粒子の周りに隙間３６が生じている。ここでは、陽極酸化処理は、一般的な常温の硫酸アルマイト処理を用い厚みδａは約３μｍとし、Ｓｉ粒子の平均径は５μｍとした。陽極酸化皮膜３５ａは柱状組織であり柱状に沿って中空部を有し皮膜上面から皮膜下部（アルミ基材）へとつながっている。

また、図１に示す表層断面図は、（３）固体潤滑剤皮膜形成工程後のもので、３５は形成された潤滑性酸化皮膜である。

この工程では、図３の陽極酸化皮膜上から二硫化モリブデン粒子をショットピーニングにより摺動表面３２に高速で衝突させることにより、二硫化モリブデン粒子は陽極酸化皮膜内３５ａ及び基材のアルミ合金内へ侵入混入するもの、あるいは衝突時の熱で拡散するもの、一部は表面に固着して薄い固着層３４を形成するもの、陽極酸化皮膜３５ａ中の中空部や隙間３６等に充填されるものにより、結果として可動スクロール３の表層に厚みδｍの二硫化モリブデンを含有した固体潤滑含有層３３を形成する。本形態１では、この厚みδｍは５〜２０μｍ程度、固着層は１μｍ以下で形成された。また、二硫化モリブデンは中心粒径５０μｍ以下のものを用いた。

この固体潤滑含有層３３において、（２）陽極酸化処理で形成された陽極酸化皮膜３５ａ部分が、固体潤滑剤を含有した厚みδａの潤滑性酸化皮膜層３５となる。尚、陽極酸化皮膜は表面粗さが粗くなりやすいので比較的薄い皮膜を用いているが、潤滑性酸化皮膜の厚みを確保するため、二硫化モリブデンが含有される固体潤滑剤含有層より、陽極酸化皮膜の厚みを薄くし（即ち、δａ＜δｍ）している。このような厚みの関係することで、表面粗さ及び寸法精度も良好な潤滑性酸化皮膜を形成できる。尚、５〜１５％Ｓｉのアルミ合金の場合だけでなく、１５％以上含まれる材料の場合も効果はあるが、材料の製造コストが高くなることや機械的強度が逆に低く、また陽極酸化層の形成速度も低く、生産性は低く現実的でない。また、逆に５％以下でも効果があることはいうまでもない。尚、シリコン平均粒子径は３〜５μｍに限定するものではなく、より大きい粒子径や、小さい場合でも、適用可能であることはいうまでもない。

以上の構成によれば、摺動部材である可動スクロール３の摺動部に、潤滑性に優れた二硫化モリブデンを含有し、磨耗性に優れたアルマイト層である潤滑性酸化皮膜を容易に形成できるため、摺動部の損失低減、耐摩耗性向上を実現できる。また、流体機械であるスクロール圧縮機に、その潤滑性酸化皮膜を形成した可動スクロール３を用いることで、効率、耐久性、信頼性向上を実現できる。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２について説明する。可動スクロール３と軸受部材６に鋳鉄材、オルダム継手４にアルミ合金材を用いる場合は、オルダム継手４の摺動部に潤滑性酸化皮膜を実施の形態１と同様にして形成することで、摺動部の損失低減、耐摩耗性向上が実現できる。

以上の構成によれば、摺動部材であるオルダム継手４の摺動部に、潤滑性に優れた二硫化モリブデンを含有し、耐磨耗性に優れたアルマイト層である潤滑性酸化皮膜を容易に形成できるため、摺動部の損失低減、耐摩耗性向上を実現できる。また、そのオルダム継手４を用いた流体機械であるスクロール圧縮機は、効率、耐久性、信頼性向上を実現できる。

以上、上記実施の形態１から２では、スクロール型圧縮機構を有する場合を例にして説明したが、他のロータリ型、レシプロ型等の圧縮機や膨張機、ポンプ、さらにはエンジン等内燃機関などにも、本発明は適用可能であり、同様の効果を実現できる事は言うまでもない。特に、小型、軽量化が要求される車用の圧縮機やエンジンでは、摺動部にアルミ合金が用いられる事も多く、陽極酸化処理が必要なとされることも多いため、特にそのような場合に本発明はより効果を発揮できる。尚、相対摺動する摺動部材の双方がアルミ合金であって、片方または双方に同様に潤滑性酸化皮膜を形成してもよいことは、いうまでもない。

また、上記実施の形態１から２において、固体潤滑剤に二硫化モリブデンを用いた場合で説明したが、固体潤滑剤はこれに限るものではなく、黒鉛、窒化ホウ素、二硫化タングステン、四フッ化エチレン（ＰＴＦＥ）等の樹脂、等を用いてもよい。

また、本発明の実施の形態１から２におけるスクロール圧縮機は、二酸化炭素を冷媒（以後ＣＯ２と記載）に潤滑油にＰＡＧ油を用いた場合を例に説明するが、これに限るものではなく、ＨＦＣ系冷媒Ｒ４１０Ａ、Ｒ３２、またはハイドロカーボン（ＨＣ）、ＨＣＦＣ２２などの冷媒と、エーテル、エステル、ＰＡＯ、アルキルベンゼンまたは鉱油等を潤滑油を用いた場合にも同様に適用可能であり、同様の効果を得ることができる。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

即ち、本発明を適用する事で、低い摺動損失と耐摩耗性有する固体潤滑剤を含有した潤滑性酸化皮膜を容易に形成できるため、優れた潤滑性を有する摺動部材を実現できるとともに、その摺動部材を用いることで、高効率で高い信頼性を有する流体機械を実現できる。

以上のように、本発明に係る摺動部材及び流体機械によれば、耐摩耗性能および摺動特性に優れた摺動部材を実現できるとともに、また優れた耐久性及び高い効率有する流体機械を実現することが可能となるので、空気調和機や冷蔵庫などの冷凍機器、除湿機や乾燥機、給湯機ヒートポンプ応用機器に使用される冷媒圧縮機のほかに、エンジンなどの用途にも適用することができる。

本発明の実施の形態１における潤滑性酸化皮膜形成後の表面近傍断面図 本発明の実施の形態１における製造工程の説明図 本発明の実施の形態１における陽極酸化皮膜形成後の表面近傍の断面図 従来のスクロール型圧縮機の縦断面図 従来の摺動部の説明図 従来の可動スクロールの断面図

符号の説明

３ 可動スクロール
３１ Ｓｉ粒子
３２ 摺動部表面
３３ 固体潤滑剤含有層
３４ 固着層
３５ａ 陽極酸化皮膜
３５ 潤滑性酸化皮膜

Claims (2)

1. アルミと５〜１５％Ｓｉ粒子を含有したアルミ合金からなる基材の表面に、陽極酸化皮膜を形成した後に、前記陽極酸化皮膜に二硫化モリブデンの微細粉体を衝突させることで、固体潤滑剤含有層と前記陽極酸化皮膜表面に配設された固着層とを形成し、
   前記陽極酸化皮膜の厚みは、前記固体潤滑剤含有層の厚みより薄く、
   前記固体潤滑剤含有層の厚みは５〜２０μｍであり、前記固着層の厚みは１μｍ以下である摺動部材。
2. 固定スクロールと旋回スクロールを有するスクロール型の流体機械において、
   アルミと５〜１５％Ｓｉ粒子を含有したアルミ合金からなるスクロールの表面に、陽極酸化皮膜を形成した後に、前記陽極酸化皮膜に二硫化モリブデンの微細粉体を衝突させることで、固体潤滑剤含有層と前記陽極酸化皮膜表面に配設された固着層とを形成し、
   前記陽極酸化皮膜の厚みは、前記固体潤滑剤含有層の厚みより薄く、
   前記固体潤滑剤含有層の厚みは５〜２０μｍであり、前記固着層の厚みは１μｍ以下である流体機械。

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